CN107389168A - 一种用于桥梁的车辆移动载荷的识别方法 - Google Patents
一种用于桥梁的车辆移动载荷的识别方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种用于桥梁的车辆移动载荷的识别方法，其特征在于：该方法所涉及的硬件包括：多个动应变传感器和处理模块；所述动应变传感器和处理模块即形成识别系统；所述方法包括：S1：设定测点；S2：获取动应变影响线，识别系统搭建完成；S3：将识别系统投入运营，获取车辆信息；本发明的有益效果：所需系统参数少、系统简单，受桥梁客观因素影响小，且能对多车移动载荷进行识别。
Description
技术领域
本发明涉及移动载荷识别技术领域，特别是一种用于桥梁的车辆移动载荷的识别方法。
背景技术
车辆荷载作为桥梁最重要的载荷之一，它是使桥梁等基础设施结构产生疲劳及破坏的主要原因。随着我国经济的快速发展，对运输的需求和运能急剧增加，同时市场行为存在一定程度的无序性、运输者片面追求利益最大化、公路运输缺乏有效的执法等原因，使得运输车辆超载现象普遍存在。车辆超载的危害性非常大，是造成桥梁破坏的主要原因，也是道路交通安全事故和环境污染等的罪魁祸首。
因此，监测车辆移动荷载，发展动态称重技术，显得至关重要。同时，明确车辆荷载的大小及其分布特点对在役桥梁承载能力评估、桥梁剩余寿命预测、桥梁结构可靠度设计、桥梁运营维护管理等方面都具有重要意义，对于大型桥梁或重要桥梁，桥上车辆移动荷载的监测也是桥梁健康监测的重要内容。
现有技术中，对桥梁移动载荷进行识别时，需要较多系统参数，受桥梁路面不平顺等客观因素影响大，且只能对单车行驶在桥梁上的工况进行识别。
发明内容
针对背景技术的问题，本发明提供一种用于桥梁的车辆移动载荷的识别方法，该方法能解决现有技术中，对桥梁的移动载荷进行识别需要系统参数多、系统复杂，受外界客观因素影响大且只能对单车移动载荷进行识别的问题。
为实现本发明的目的，本发明提供了一种用于桥梁的车辆移动载荷的识别方法，该方法所涉及的硬件包括：多个动应变传感器和处理模块；所述动应变传感器和处理模块即形成识别系统；所述方法包括：
S1：设定测点；
S2：获取动应变影响线，识别系统搭建完成；
S3：将识别系统投入运营，获取车辆信息；
所述步骤S1包括：
设桥梁上有n条车道，在所述桥梁上选取桥梁的两个横截面为测试截面，两个测试截面间隔一定距离，沿桥梁横向将单个测试截面划分为多个测点，单个测点的横向范围与单条车道的横向范围对应，多个测点与多条车道一一对应；每个测点均布设有动应变传感器，将动应变传感器的信号输出端与所述处理模块连接；
所述步骤S2包括：
单个测点对应n个动应变影响线，单个测点所辖的n个动应变影响线与n条车道一一对应；
按如下方式获取单个动应变影响线：
1)、控制一汽车从单条车道上驶过，该汽车的轴距为z、前轴轴重为g1、后轴轴重为g2、车速为v，z、g1、g2、v均为已知；
2)、汽车行驶过程中，通过动应变传感器实时获取相应测点的动应变响应值，以时间t为横坐标，以动应变响应值为纵坐标，形成动应变响应曲线ε′s(t)；
3)、处理模块根据动应变响应曲线按下式生成相应的动应变影响线εy(x)：
g1εy(x)＝ε′s(t)(0≤x＜z，t＝x/v)
g1εy(x)+g2εy(x-z)＝ε′s(t)(z≤x，t＝x/v)
其中，x是汽车前轴与相应车道起点的距离，也是所述动应变影响线的横坐标值；
所述步骤S3包括：
设两辆汽车同向先后驶入桥梁，在前的汽车记为A车，在后的汽车记为B车，A车驶出桥梁之前，B车已驶入桥梁；
按如下方式获得A车和B车的车辆信息：
1)、从A车驶入桥梁开始到B车驶出桥梁为止的过程中，通过动应变传感器实时获取相应测点的动应变响应值，以时间t为横坐标，以动应变响应值为纵坐标，为每个测点生成相应的动应变响应曲线；
2)、对各个动应变响应曲线进行去噪处理；
3)、设A车前轴的入桥时刻为T1，B车前轴的入桥时刻为T3；两个所述测试截面中，与车辆入桥位置距离最短的测试截面记为第一截面，另一个测试截面记为第二截面；根据动应变响应曲线，提取第一截面所辖的各个测点在T1时刻所对应的动应变响应值εs1(t)，多个εs1(t)中的最大值记为εs1max(t)，εs1max(t)对应的测点所在的车道即为A车所在车道；提取第一截面所辖的各个测点在T3时刻所对应的动应变响应值εs2(t)，多个εs2(t)中的最大值记为εs2max(t)，εs2max(t)对应的测点所在的车道即为B车所在车道；
4)、以某一测点作为标准测点，该标准测点的动应变响应曲线记为εs(t)；
按下式计算A车前轴轴重G1：
其中，V1为A车车速，T2为A车的后轴入桥时刻，εy1(x)为与A车所在车道相对应的动应变影响线，G0为单位载荷；
V1按下式计算：
V1＝ΔL/(TA2-TA1)
其中，ΔL为所述两个测试截面的间距，TA1为A车前轴行驶到第一截面正上方的时刻，TA2为A车前轴行驶到第二截面正上方的时刻；
T1按下式计算：
T1＝TA1-L1/V1
其中，L1为第一截面距离车道起点的距离；
T2按下式计算：
T2＝TA1-(L1-Z1)/V1
其中Z1为A车的轴距，Z1按下式计算：
Z1＝V1×(TA3-TA1)
其中TA3为A车后轴行驶到第一截面正上方的时刻；
按下式计算A车后轴轴重G2：
T3按下式计算：
T3＝TB1-L1/V2
其中TB1为B车前轴行驶到第一截面正上方的时刻，V2为B车车速；V2按下式计算：
V2＝ΔL/(TB2-TB1)
其中TB2为B车前轴行驶到第二截面正上方的时刻；
按下式计算B车前轴轴重G3：
其中，εy2(x)为与B车所在车道相对应的动应变影响线，T4为B车的后轴入桥时刻；
T4按下式计算：
T4＝TB1-(L1-Z2)/V2
其中Z2为B车的轴距，Z2按下式计算：
Z2＝V2×(TB3-TB1)
其中TB3为B车后轴行驶到第一截面正上方的时刻；
按下式计算B车后轴轴重G4:
设B车出桥的时刻为T6，T5为T4和T6之间的任意时刻。
进一步地，所述步骤S1中所述的测试截面按如下方式选取：建立桥梁的有限元模型，分析桥梁在车辆载荷作用下的动应变响应，取两个动应变响应值较大的横截面为测试截面。
进一步地，所述步骤S3中，采用小波变换方法对动应变响应曲线进行去噪处理。
本发明所述的识别方法的原理如下：
在不考虑桥梁的材料非线性、几何非线性、边界非线性的情况下，将桥梁结构近似为线弹性系统，则载荷与桥梁的结构内力满足线性关系，将车辆移动载荷简化为多个在车轴处的集中力的前提下，任意时刻某测点的内力等于每个集中力作用于该测点而引起的内力的代数和，内力大小可以用动应变响应值来反映。而将车辆上桥至完全出桥时间段内动应变响应曲线对横轴进行积分，即得到动应变响应曲线的影响面积。现有研究已经证明车辆载荷与动应变响应曲线的影响面积是一种线性关系。本方法通过识别每个车轴的入桥时间，将动应变响应曲线分离成不同时间段，利用车辆荷载与动应变响应曲线影响面积存在一种线性关系的特性对轴重进行分段识别，先根据第一个车轴入桥而第二个车轴未入桥时间段内的动应变响应曲线识别第一个轴重，再根据第二个车轴入桥而第三个车轴未入桥的时间段内动应变响应曲线面积和第一个轴重大小识别第二个轴重，以此类推，能够识别出每一个轴的轴重。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下有益效果：由于只需要识别出各车所在车道、车速及各车轴入桥时间等参数即可识别出各轴重，所需系统参数少、系统简单，受桥梁客观因素影响小，且能对多车移动载荷进行识别。
附图说明
本发明的附图说明如下。
图1为本发明提供的桥梁测点布置示意图；
图2为本发明提供的动应变响应曲线示意图。
图中：1、第一车道；2、第一截面；3、第二截面；4、第一测点；5、第二测点；6、第一动应变响应曲线；7、第二动应变响应曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明所提供的一种用于桥梁的车辆移动载荷的识别方法，该方法所涉及的硬件包括：多个动应变传感器和处理模块；所述动应变传感器和处理模块即形成识别系统；
所述方法包括如下步骤：
S1：设定测点；
如附图1所示，设桥梁上有n条车道。根据桥梁的构造形式、具体尺寸以及材料参数等建立桥梁的有限元模型，分析桥梁在车辆载荷作用下的动应变响应，取两个动应变响应值较大的横截面为测试截面，如本实施例中的第一截面2和第二截面3，两个测试截面之间的距离设为ΔL，第一截面2距离车道起点的距离设为L1。沿桥梁横向将单个测试截面划分为多个测点，单个测点的横向范围与单条车道的横向范围对应，多个测点与多条车道一一对应；每个测点均布设有动应变传感器，为便于施工，又不影响检测效果，可以将动应变传感器设置在桥梁的梁底。将动应变传感器的信号输出端与所述处理模块连接。
S2：获取动应变影响线，识别系统搭建完成；
影响线的概念：在沿车道延伸方向的单位移动载荷的作用下，桥梁的结构内力、反力或变形的量值随单位载荷位置移动而变化的规律曲线称为动应变影响线。
以其中的一个测点为例，当以一辆已知轴距、前轴轴重、后轴轴重和车速的汽车通过其中一条车道后，即可获取该测点对应于该车道的动应变影响线；当该汽车通过桥梁的每条车道后，即可获取该测点对应于每条车道的动应变影响线；由此可看出，单个测点对应n个动应变影响线，单个测点所辖的n个动应变影响线与n条车道一一对应；其它测点的动应变影响线的获取方法也如上所述。
按如下方式获取单个测点所对应的单条车道的动应变影响线：
1)、控制一汽车从单条车道上驶过，该汽车的轴距为z、前轴轴重为g1、后轴轴重为g2、车速为v，z、g1、g2、v均为已知；
2)、汽车行驶过程中，通过动应变传感器实时获取该测点的动应变响应值，以时间t为横坐标，以动应变响应值为纵坐标，形成动应变响应曲线ε′s(t)；
3)、处理模块根据动应变响应曲线按下式生成相应的动应变影响线εy(x)：
g1εy(x)＝ε′s(t)(0≤x＜z，t＝x/v)
g1εy(x)+g2εy(x-z)＝ε′s(t)(z≤x，t＝x/v)
其中，x是汽车前轴与相应车道起点的距离，也是所述动应变影响线的横坐标值；
S3：将识别系统投入运营，获取车辆信息；
如附图1所示，设两辆汽车同向先后驶入桥梁，在前的汽车记为A车，在后的汽车记为B车，A车驶出桥梁之前，B车已驶入桥梁；
按如下方式获得A车和B车的车辆信息：
1)、从A车驶入桥梁开始到B车驶出桥梁为止的过程中，通过动应变传感器实时获取相应测点的动应变响应值，以时间t为横坐标，以动应变响应值为纵坐标，为每个测点生成相应的动应变响应曲线；
2)、对各个动应变响应曲线采用小波变换方法进行去噪处理；
如附图2所示的两条曲线就是两条去噪处理后的动应变响应曲线。在本实施例中，选择如附图1所述的第一车道1内的第一测点4和第二测点5作为观察对象，第一测点4为第一截面2所辖的测点，第二测点5为第二截面3所辖的测点。以A车为例，当A车连续通过第一车道1的第一截面2和第二截面3后，生成第一测点4的动应变响应曲线即第一动应变响应曲线6和第二测点5的动应变响应曲线即第二动应变响应曲线7；第一动应变响应曲线6所示的峰值1为A车的前轴行驶到第一截面2正上方时产生的动应变响应值，峰值2为A车的后轴行驶到第一截面2正上方时产生的动应变响应值；第二动应变响应曲线7所示的峰值3为A车的前轴行驶到第二截面3正上方时产生的动应变响应值，峰值4为A车的后轴行驶到第二截面3正上方时产生的动应变响应值；附图2中所示的ΔT表示A车的前轴行驶到第一截面2和第二截面3的正上方的时间差，Δt表示A车的前轴和后轴分别行驶到第一截面2的正上方的时间差。
3)、设A车前轴的入桥时刻为T1，B车前轴的入桥时刻为T3；根据动应变响应曲线，提取第一截面2所辖的各个测点在T1时刻所对应的动应变响应值εs1(t)，多个εs1(t)中的最大值记为εs1max(t)，εs1max(t)对应的测点所在的车道即为A车所在车道；提取第一截面2所辖的各个测点在T3时刻所对应的动应变响应值εs2(t)，多个εs2(t)中的最大值记为εs2max(t)，εs2max(t)对应的测点所在的车道即为B车所在车道；
4)、以某一测点例如第一测点4作为标准测点，该标准测点的动应变响应曲线记为εs(t)；
按下式计算A车前轴轴重G1：
其中，V1为A车车速，T2为A车的后轴入桥时刻，εy1(x)为与A车所在车道相对应的动应变影响线，G0为单位载荷；
V1按下式计算：
V1＝ΔL/(TA2-TA1)
其中，TA1为A车前轴行驶到第一截面2正上方的时刻，TA2为A车前轴行驶到第二截面3正上方的时刻，TA2-TA1＝ΔT；
T1按下式计算：
T1＝TA1-L1/V1
T2按下式计算：
T2＝TA1-(L1-Z1)/V1
其中Z1为A车的轴距，Z1按下式计算：
Z1＝V1×(TA3-TA1)
其中TA3为A车后轴行驶到第一截面2正上方的时刻，TA3-TA1＝Δt；
按下式计算A车后轴轴重G2：
T3按下式计算：
T3＝TB1-L1/V2
其中TB1为B车前轴行驶到第一截面2正上方的时刻，V2为B车车速；V2按下式计算：
V2＝ΔL/(TB2-TB1)
其中TB2为B车前轴行驶到第二截面3正上方的时刻；
按下式计算B车前轴轴重G3：
其中，εy2(x)为与B车所在车道相对应的动应变影响线，T4为B车的后轴入桥时刻；
T4按下式计算：
T4＝TB1-(L1-Z2)/V2
其中Z2为B车的轴距，Z2按下式计算：
Z2＝V2×(TB3-TB1)
其中TB3为B车后轴行驶到第一截面2正上方的时刻；
按下式计算B车后轴轴重G4：
设B车出桥的时刻为T6，T5为T4和T6之间的任意时刻。
Claims (3)
1.一种用于桥梁的车辆移动载荷的识别方法，其特征在于：该方法所涉及的硬件包括：多个动应变传感器和处理模块；所述动应变传感器和处理模块即形成识别系统；所述方法包括：
S1：设定测点；
S2：获取动应变影响线，识别系统搭建完成；
S3：将识别系统投入运营，获取车辆信息；
所述步骤S1包括：
设桥梁上有n条车道，在所述桥梁上选取桥梁的两个横截面为测试截面，两个测试截面间隔一定距离，沿桥梁横向将单个测试截面划分为多个测点，单个测点的横向范围与单条车道的横向范围对应，多个测点与多条车道一一对应；每个测点均布设有动应变传感器，将动应变传感器的信号输出端与所述处理模块连接；
所述步骤S2包括：
单个测点对应n个动应变影响线，单个测点所辖的n个动应变影响线与n条车道一一对应；
按如下方式获取单个动应变影响线：
1)、控制一汽车从单条车道上驶过，该汽车的轴距为z、前轴轴重为g1、后轴轴重为g2、车速为v，z、g1、g2、v均为已知；
2)、汽车行驶过程中，通过动应变传感器实时获取相应测点的动应变响应值，以时间t为横坐标，以动应变响应值为纵坐标，形成动应变响应曲线ε′s(t)；
3)、处理模块根据动应变响应曲线按下式生成相应的动应变影响线εy(x)：
g1εy(x)＝ε′s(t)(0≤x＜z,t＝x/v)
g1εy(x)+g2εy(x-z)＝ε′s(t)(z≤x,t＝x/v)
其中，x是汽车前轴与相应车道起点的距离，也是所述动应变影响线的横坐标值；
所述步骤S3包括：
设两辆汽车同向先后驶入桥梁，在前的汽车记为A车，在后的汽车记为B车，A车驶出桥梁之前，B车已驶入桥梁；
按如下方式获得A车和B车的车辆信息：
1)、从A车驶入桥梁开始到B车驶出桥梁为止的过程中，通过动应变传感器实时获取相应测点的动应变响应值，以时间t为横坐标，以动应变响应值为纵坐标，为每个测点生成相应的动应变响应曲线；
2)、对各个动应变响应曲线进行去噪处理；
3)、设A车前轴的入桥时刻为T1，B车前轴的入桥时刻为T3；两个所述测试截面中，与车辆入桥位置距离最短的测试截面记为第一截面，另一个测试截面记为第二截面；根据动应变响应曲线，提取第一截面所辖的各个测点在T1时刻所对应的动应变响应值εs1(t)，多个εs1(t)中的最大值记为εs1max(t)，εs1max(t)对应的测点所在的车道即为A车所在车道；提取第一截面所辖的各个测点在T3时刻所对应的动应变响应值εs2(t)，多个εs2(t)中的最大值记为εs2max(t)，εs2max(t)对应的测点所在的车道即为B车所在车道；
4)、以某一测点作为标准测点，该标准测点的动应变响应曲线记为εs(t)；
按下式计算A车前轴轴重G1：
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其中，V1为A车车速，T2为A车的后轴入桥时刻，εy1(x)为与A车所在车道相对应的动应变影响线，G0为单位载荷；
V1按下式计算：
V1＝ΔL/(TA2-TA1)
其中，ΔL为所述两个测试截面的间距，TA1为A车前轴行驶到第一截面正上方的时刻，TA2为A车前轴行驶到第二截面正上方的时刻；
T1按下式计算：
T1＝TA1-L1/V1
其中，L1为第一截面距离车道起点的距离；
T2按下式计算：
T2＝TA1-(L1-Z1)/V1
其中Z1为A车的轴距，Z1按下式计算：
Z1＝V1×(TA3-TA1)
其中TA3为A车后轴行驶到第一截面正上方的时刻；
按下式计算A车后轴轴重G2：
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T3按下式计算：
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其中TB1为B车前轴行驶到第一截面正上方的时刻，V2为B车车速；V2按下式计算：
V2＝ΔL/(TB2-TB1)
其中TB2为B车前轴行驶到第二截面正上方的时刻；
按下式计算B车前轴轴重G3：
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其中，εy2(x)为与B车所在车道相对应的动应变影响线，T4为B车的后轴入桥时刻；
T4按下式计算：
T4＝TB1-(L1-Z2)/V2
其中Z2为B车的轴距，Z2按下式计算：
Z2＝V2×(TB3-TB1)
其中TB3为B车后轴行驶到第一截面正上方的时刻；
按下式计算B车后轴轴重G4:
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2
设B车出桥的时刻为T6，T5为T4和T6之间的任意时刻。
2.如权利要求1所述的用于桥梁的车辆移动载荷的识别方法，其特征在于：所述步骤S1中所述的测试截面按如下方式选取：建立桥梁的有限元模型，分析桥梁在车辆载荷作用下的动应变响应，取两个动应变响应值较大的横截面为测试截面。
3.如权利要求1所述的用于桥梁的车辆移动载荷的识别方法，其特征在于：所述步骤S3中，采用小波变换方法对动应变响应曲线进行去噪处理。
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